來源 電子工程專輯
手機(jī)上的3D感知/成像技術(shù)，比較知名的應(yīng)該是ToF和立體視覺(如雙目)方案了。不過實(shí)際上，除了這樣的光學(xué)測距技術(shù)，智能手機(jī)對于3D感知、人機(jī)交互界面也有過其他嘗試。
在Pixel 4手機(jī)上，谷歌曾為其配備一顆名為Soli的毫米波雷達(dá)。Soli雷達(dá)就不是利用傳統(tǒng)光學(xué)測距技術(shù)來實(shí)現(xiàn)手勢識(shí)別、存在檢測之類的功能。Soli也是消費(fèi)級智能手機(jī)上首個(gè)應(yīng)用的短距雷達(dá)傳感器。其基本原理是，以毫米波雷達(dá)基于對象與無線電波之間的相互作用，來檢測和測量該對象的屬性。
這顆Soli毫米波雷達(dá)來自英飛凌，在英飛凌的產(chǎn)品線中名為XENSIVTM毫米波雷達(dá)。英飛凌對于XENSIVTM的一個(gè)設(shè)想就在于“變革未來的人機(jī)界面”，“無接觸的人機(jī)交互”，“以很高的速度和準(zhǔn)確度追蹤亞毫米級運(yùn)動(dòng)”。另一方面，能塞進(jìn)手機(jī)里就表明其尺寸相當(dāng)小，英飛凌在接受我們采訪時(shí)也提到高度集成化的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)小尺寸外形的基礎(chǔ)，包括AiP(Antenna In Package)封裝技術(shù)，將所有天線都集成到一個(gè)芯片中。
不過XENSIVTM毫米波雷達(dá)也不僅限于手機(jī)方向的應(yīng)用。本文就從技術(shù)、市場和應(yīng)用幾個(gè)方面來談?wù)劊诔似囘@類雷達(dá)應(yīng)用比較稀松平常的場景以外，如今的毫米波雷達(dá)正在發(fā)揮怎樣的作用。
談?wù)凷oli是怎么工作的
以Soli為例，來簡單談?wù)勂渲性怼Ｒ话銈鹘y(tǒng)的無線電雷達(dá)系統(tǒng)包括了發(fā)射端和接收端，發(fā)射端會(huì)發(fā)射無線電(磁)波，在路徑中遇到對象就會(huì)發(fā)生散射或者重定向，部分能量返回到雷達(dá)接收端。基于接收到的波形，雷達(dá)系統(tǒng)就能檢測對象的存在，并估算對象的某些屬性，比如說距離、大小等。
雷達(dá)作為一種檢測和距離感知技術(shù)，已經(jīng)存在將近一個(gè)世紀(jì)了：以前比較知名的比如超聲波雷達(dá)。傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)用于檢測大型、遠(yuǎn)距離的對象，比如飛機(jī)、汽車。在更近的距離內(nèi)、更小尺寸的設(shè)備上，實(shí)現(xiàn)更高精度的感知，是從前所沒有的。
傳統(tǒng)的雷達(dá)設(shè)計(jì)，需要考量相關(guān)目標(biāo)尺寸的空間分辨率，這樣才能分辨不同對象、辨別其空間結(jié)構(gòu)。這樣的空間分辨率要求較寬的傳輸帶寬、較窄的天線束寬(beamwidth)，以及較大的天線陣列。而Soli雷達(dá)是基于動(dòng)作感知的思路，而非空間結(jié)構(gòu)。
這其實(shí)也是實(shí)現(xiàn)將毫米波雷達(dá)應(yīng)用于手機(jī)這類小尺寸設(shè)備的關(guān)鍵。Pixel 4中Soli芯片封裝整體就5mm x 6.5mm x 0.873mm，整個(gè)傳感器就位于手機(jī)上方位置。加上算法配合，不需要像光學(xué)圖像傳感器那樣對目標(biāo)空間結(jié)構(gòu)做比較精細(xì)的成像。
更具體地說，這種方案基于接收信號(hào)的時(shí)域變化，來感知和分辨精細(xì)的動(dòng)作。英飛凌XENSIVTM雷達(dá)發(fā)射高頻率、毫米波長級別的調(diào)制信號(hào)，并接收對象反射疊加。對象亞毫米級別的位置變化，在接收信號(hào)時(shí)間周期變化過程中就可以被分辨出來。在多個(gè)傳輸窗口期內(nèi)，這樣的變化表現(xiàn)為多普勒頻率——它與檢測對象的運(yùn)動(dòng)速度是相關(guān)的。通過分辨不同的多普勒頻率，雷達(dá)信號(hào)處理管線就能夠借助不同的運(yùn)動(dòng)模式，來區(qū)分檢測對象了。
當(dāng)然后面涉及到了更具體的算法。這也是Soli雷達(dá)工作的基本原理——其實(shí)還可以更具體到Soli有三個(gè)接收器對信號(hào)做處理，來估算3D位置;位置信息配合距離、速度、角度，達(dá)成更復(fù)雜的分辨能力;谷歌還為之配備了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，最終實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)更好的無接觸人機(jī)交互感知等等。雖然這并非所有XENSIVTM雷達(dá)在各類應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)，從中我們還是可對毫米波雷達(dá)的工作方式有個(gè)大致的了解。
單就雷達(dá)本身的角度來看，英飛凌XENSIVTM毫米波雷達(dá)具備的幾大特點(diǎn)包括小尺寸帶天線封裝;分立(discrete);有必要時(shí)可做隱藏設(shè)計(jì)——這就和PIR(被動(dòng)紅外檢測)不同;不受溫度和灰塵的影響;足夠靈敏，可在需要時(shí)保持開啟;范圍適應(yīng)性廣。
英飛凌在接受采訪時(shí)特別強(qiáng)調(diào)，XENSIVTM雷達(dá)體積小，可以集成到手機(jī)中。而且“與ToF相比，毫米波雷達(dá)傳感器可以感知微動(dòng)，即心跳和呼吸的運(yùn)動(dòng)。所以ToF和雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。”——這一點(diǎn)體現(xiàn)的應(yīng)該就是“足夠靈敏”的特點(diǎn)了。
更高頻率、更短波長的XENSIVTM毫米波雷達(dá)能夠提供更高的分辨率，相比此前厘米級別波長的雷達(dá)，進(jìn)一步解決帶寬受限、精度不足、對運(yùn)動(dòng)物體感測有局限的問題。當(dāng)然不同頻率和波長的雷達(dá)有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域，畢竟它們在檢測距離、覆蓋范圍、檢測精度、功耗等方面都會(huì)有不同。
還有更多應(yīng)用場景
談到呼吸、心跳這類亞毫米級別微動(dòng)作的感知，英飛凌去年在接受我們采訪時(shí)曾經(jīng)提到，高頻率的毫米波雷達(dá)波長是毫米級的，如其更高頻率的XENSIVTM毫米波雷達(dá)波長為5mm——皮膚0.5mm的微動(dòng)對于雷達(dá)而言就已經(jīng)是比較大的移動(dòng)距離了，所以自然能夠?qū)崿F(xiàn)對于呼吸、心跳等微動(dòng)作的感知。
所以在英飛凌列出雷達(dá)產(chǎn)品應(yīng)用中，亦能看到“生命體征檢測”。不過英飛凌告訴我們，其算法設(shè)計(jì)目前仍處在早期階段。我們在英飛凌FY20年報(bào)中看到，英飛凌提到一種基于雷達(dá)的血壓傳感器。這種可穿戴、非侵入式的血壓傳感器就是基于XENSIV?毫米波雷達(dá)芯片，是與合作伙伴共同開發(fā)的。英飛凌認(rèn)為這項(xiàng)新技術(shù)長期看來，對于可穿戴心血管監(jiān)測設(shè)備市場會(huì)有非常大的潛力。
基于微動(dòng)檢測這一點(diǎn)，可延伸的是——存在檢測也是這類傳感器的重要應(yīng)用場景之一。一般我們知道PIR是比較常見的存在檢測傳感器。不過PIR無法偵測微動(dòng)作。比如在辦公室工作，人并不會(huì)有太大幅度的動(dòng)作。像敲擊鍵盤這樣的微動(dòng)作，紅外傳感器是無法感知到的。而毫米波雷達(dá)卻能夠輕易檢測到。
存在檢測的具體應(yīng)用場景有很多，比如智能家居、智能樓宇：人不在的時(shí)候就可以部分關(guān)閉電氣設(shè)備以實(shí)現(xiàn)節(jié)能;以及實(shí)現(xiàn)智能化的交互體驗(yàn)，回家就自動(dòng)開燈，人走到哪兒燈就亮到哪兒等等。除了存在檢測以外，毫米波雷達(dá)也可應(yīng)用于人數(shù)統(tǒng)計(jì)、追蹤——比如智能樓宇對人數(shù)的統(tǒng)計(jì);智慧交通對來往車流量的統(tǒng)計(jì)，并配合實(shí)現(xiàn)分流和資源優(yōu)化配置等操作。加上更為高級的算法，比如像谷歌Soli項(xiàng)目那樣，則可實(shí)現(xiàn)非接觸式心率檢測、懸浮手勢控制等應(yīng)用。
值得一提的是，除了雷達(dá)硬件本身，英飛凌為開發(fā)者提供的SDK也包含算法庫，其中包含一些基礎(chǔ)算法和方案。與此同時(shí)，英飛凌的毫米波雷達(dá)產(chǎn)品也與其他組成部分構(gòu)成完整的系統(tǒng)，比如IoT XENSIV? Lighting Platform就是有雷達(dá)參與的智能路燈平臺(tái)。
總的來說，英飛凌認(rèn)為其毫米波雷達(dá)產(chǎn)品未來的應(yīng)用方向還包括智能樓宇、智能辦公、機(jī)器人、智能馬桶占用檢測、水位監(jiān)測、無人機(jī)、電視等。“智慧交通、安防領(lǐng)域已經(jīng)形成一定規(guī)模的市場，智慧家居領(lǐng)域也是可以預(yù)見的重要潛在市場?！薄半S著老齡化進(jìn)程的加速，毫米波雷達(dá)和智慧養(yǎng)老相結(jié)合已演化出跌倒報(bào)警、睡眠監(jiān)控等很多新用例?！?/span>
英飛凌表示：“英飛凌毫米波雷達(dá)是一種經(jīng)過驗(yàn)證的強(qiáng)大傳感器，提供比PIR技術(shù)更高的精度和更好的性能，可用于消費(fèi)電子、醫(yī)療保健、監(jiān)控、駕駛輔助以及工業(yè)應(yīng)用中的短程定位和生命體征跟蹤。”
毫米波雷達(dá)市場的未來
毫米波雷達(dá)“在市場應(yīng)用方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ档糜信d趣在這些應(yīng)用中抓住商機(jī)的制造商深入了解這項(xiàng)技術(shù)。”對于非汽車領(lǐng)域，這是英飛凌對于毫米波未來的看法。
我們能夠找到對于非汽車應(yīng)用的毫米波雷達(dá)市場的分析報(bào)告不多：且毫米波技術(shù)本身的應(yīng)用也不僅限于雷達(dá)。從MarketsandMarkets的數(shù)據(jù)來看，全球毫米波技術(shù)市場2021年的規(guī)模大約在18億美元左右，至2026年的CAGR為20.8%，2026年達(dá)到47億美元。這份報(bào)告主要還是提到了通訊領(lǐng)域小基站后傳網(wǎng)絡(luò)對于毫米波的應(yīng)用，是這類技術(shù)推進(jìn)的重要?jiǎng)恿?。不過與此同時(shí)，安全和雷達(dá)應(yīng)用上，毫米波技術(shù)也是絕對重要的推動(dòng)力。
Reportlinker去年倒是發(fā)了一份毫米波雷達(dá)市場報(bào)告。這份報(bào)告預(yù)期未來毫米波雷達(dá)IC市場的主要機(jī)遇在汽車、電信通訊、安全與成像、醫(yī)療健康行業(yè)。預(yù)計(jì)2025年，毫米波雷達(dá)市場規(guī)模會(huì)達(dá)到12億美元。2020-2025的市場CAGR為16%-18%。不過這些報(bào)告提及的側(cè)重點(diǎn)還是在汽車ADAS和后傳網(wǎng)絡(luò)毫米波的應(yīng)用上。只是毫米波雷達(dá)本身的高速發(fā)展還是毋庸置疑的。
事實(shí)上，英飛凌應(yīng)用于非車載市場的XENSIV?毫米波雷達(dá)，就是將車載領(lǐng)域相對成熟的硬件和方案，應(yīng)用到消費(fèi)類、工業(yè)類應(yīng)用中的產(chǎn)品。基于智能制造、智慧交通、智能樓宇、智慧城市等熱門領(lǐng)域的發(fā)展，毫米波雷達(dá)必然有一席之地。
